Al2O3气凝胶充填非石墨化泡沫炭隔热复合材料的改性设计与实现

在控制空间、主宰机动、全球交战等战略概念的主导下，新一代高超声速航天器已成为各国发展的热点。高超声速航天器在稠密大气层长时巡航或再入过程中将遭受严重的气动加热，这对航天器的防/隔热技术提出了更高的要求。本项目以可重复使用航天器热防护系统的高效隔热材料为应用背景，针对具有多孔网络结构的非石墨化泡沫炭这一研究对象，首先采用溶胶-凝胶多次浸渍法，把Al2O3气凝胶填充到泡沫炭中形成复合材料，然后研究其隔热机理，并确定影响隔热改性效果的关键因素，随后采用快速熔渗法在多孔泡沫炭表面渗硅，形成C/SiC复合材料，再利用原位反应烧结技术使Zr与SiC发生化学反应生成C-Si-Zr体系的超高温陶瓷薄壳，并对该复合材料的高温抗氧化行为、氧化动力学机制和力学增强机理进行探讨。通过本项目的研究，将拓宽泡沫炭在高温领域的应用，并为发展新型高效轻质刚性隔热复合材料提供新的设计方法与制造技术储备。

本研究在非石墨化泡沫炭的内部孔洞中充填Al2O3气凝胶，将两种（或多种）隔热材料按照各自的特点复合，取长补短。首先利用糠醇以碳源，聚氨酯泡沫作模板，高温烧结炭化制备非石墨化泡沫炭。制备的泡沫炭具有三维网状开孔结构，孔结构规则，呈现五边形十二面体，孔径分布为500μm-600μm，具有极低的密度(0.03g/cm3)和极高的孔隙率(97%)。通过正交试验设计研究模板种类、炭化终了温度、保温时间和浸渍量等关键因素对产品结构和性能的影响，获得制备泡沫炭的最佳工艺参数。.采用Al(NO3)3•9H2O和异丙醇铝(AIP)有机醇盐作为铝源，通过水解和缩聚反应配制Al2O3凝胶。该Al2O3干凝胶具有较高的比表面积(596~863m2/g)，较窄的孔径分布(2.8~30nm)，胶体颗粒的尺度在14~16nm之间，具有质量分形特性。采用无压浸渍技术，把Al2O3凝胶填充至非石墨化泡沫炭内部空间，运用冷冻干燥法进行干燥获得Al2O3/RVC复合材料。.从高辐射、自愈合、抗氧化和抗热震的多功能角度出发，采用硅酸钠的水溶液为粘接剂，以B4C为烧结助剂，以MoSi2和SiB4作为高辐射剂，Mg2B2O5晶须为增韧剂作为复合材料体系进行涂层设计，通过正交优化设计了一种适合多孔泡沫炭表面的复合陶瓷涂层。.